IT201800011145A1 - Testa termica per il restringimento di corpi assialsimmetrici cavi in materiale termoretraibile preformato su contenitori e oggetti in genere. - Google Patents

Description

TESTA TERMICA PER IL RESTRINGIMENTO DI CORPI ASSIALSIMMETRICI CAVI IN MATERIALE TERMORETRAIBILE PREFORMATO SU CONTENITORI E OGGETTI IN GENERE.

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda una testa termica per il restringimento di corpi assialsimmetrici cavi in materiale termoretraibile preformato particolarmente su contenitori, in relazione a varie applicazioni nel settore enologico, farmaceutico, oleario, nonché in quello dei liquori e distillati o di bevande analcoliche quali acqua, olio, bibite gassate, e simili, oppure su oggetti in genere.

Nella presente descrizione, per semplicità, si farà particolare riferimento al settore enologico, ed in particolare all'applicazione di capsule sigillanti di forma sostanzialmente cilindrica su bottigle di vino.

Tuttavia, i medesimi princìpi possono essere attuati in relazione all'applicazione di corpi cavi di altro tipo, p.es., sigilli tamper evident, fodere ed etichette termoretraibili, su bottiglie o su altri contenitori, p.es., flaconi, fusti, nonché su oggetti sfusi.

Come noto, una generica linea di imbottigliamento di vini può comprendere una serie di stazioni atte ad eseguire una o più operazioni specifiche su una serie di bottiglie ricevute in successione, tipicamente bottiglie di vetro.

Per esempio, nel caso di una linea di imbottigliamento di vini, dopo che la bottiglia è stata riempita e tappata, un distributore applica sul collo della bottiglia una capsula siglillante.

La capsula, nella versione a cui si riferisce il presente trovato, è costituita da un film di materiale plastico termoretraibile, che è avvolto a formare un tronco di cono o un cilindro con una estremità che può essere chiusa da un sottile disco in alluminio.

La capsula grezza viene dapprima calzata sul collo in configurazione lasca, e poi fatta aderire al materiale della bottiglia mediante riscaldamento. In questa fase, la capsula si retrae liberando le forze elastiche congelate durante una precedente fase di stiratura del film.

Oggigiorno le capsule vengono riscaldate da dispositivi denominati “teste termiche”. Una testa termica comprende generalmente una resistenza elettrica corazzata avvolta ad elica, un tampone premi-capsula avente la duplice funzione di mantenere ferma in posizione la capsula e di convogliare aria di ventilazione all’interno della testa, un involucro isolante che circonda coassialmente la resistenza elettrica, ed una staffa per l'ancoraggio della testa termica ad una struttura di supporto. Il tampone premi-capsula è alloggiato scorrevolmente in una boccola fissata all’involucro.

Nel ciclo di lavoro, la testa termica viene calata sulla bottiglia su comando di una camma. Durante la discesa, il tampone premi-capsula entra in contatto con la capsula e la preme contro il tappo così da mantenerla in posizione. Proseguendo la discesa, la resistenza circonda progressivamente tutta la capsula e le trasmette calore per irraggiamento. Simultaneamente, il tampone premi-capsula soffia aria di ventilazione che distribuisce il calore per convezione su tutta la capsula, che inizia a restringersi. Dopo una successiva fase di mantenimento, in cui capsula continua a retrarsi, la testa viene fatta risalire sempre su comando della camma.

Di norma, la temperatura operativa di una testa termica è dell’ordine di 400°C, con un consumo energetico relativamente elevato (almeno 500 W) per il mantenimento in temperatura, a cui va sommato il consumo energetico dell’aria compressa di ventilazione.

Purtroppo, un inconveniente del sistema sopra descritto è che, a fronte di un consumo energetico così elevato, il processo ha un rendimento molto basso, tipicamente dell'ordine del 10% o inferiore.

Si è constatato che il basso rendimento è determinato principalmente dallo scarso scambio termico tra l'aria di ventilazione e la capsula, dovuto alla ridotta superficie di contatto.

Un ulteriore inconveniente del sistema noto sopra menzionato è che esso non consente di controllare adeguatamente la distribuzione del flusso termico irradiato sulla capsula, poiché la distribuzione di temperatura sulla resistenza dipende da fattori incontrollabili, quali le dissipazioni attraverso l’aria di ventilazione e attraverso l’involucro.

Quanto sopra non permette di ottimizzare in modo soddisfacente la qualità della lavorazione, con conseguente generazione di scarti.

Un ulteriore inconveniente correlato a quelli sopra menzionati deriva dal fatto che il movimento della testa termica, nella fasi di discesa e di risalita, genera disuniformità di riscaldamento (poiché la parte inferiore della capsula resta esposta all’irraggiamento della resistenza per un tempo inferiore rispetto alla parte superiore) che l'aria di ventilazione riesce solo ad attenuare.

A titolo d'esempio, la Fig. 1 simula la distribuzione del calore (espresso in J/m<2>) fornito alla capsula per irraggiamento, lungo la dimensione longitudinale della capsula, nel caso semplificato di un elemento radiante cilindrico (equiparabile ad una resistenza elettrica corazzata avvolta ad elica) riscaldato uniformemente a 400 °C, che viene calato su una capsula cilindrica seguendo la legge di moto della testa termica. La quota 0 corrisponde alla base della capsula, mentre la quota 1 corrisponde all'estremità superiore. Come si può notare, sussiste una differenza del 25% circa tra i valori massimo e minimo di calore fornito alla capsula.

Un ulteriore fattore che pregiudica la qualità della lavorazione è che la zona della bottiglia impegnata dalla capsula di norma ha una sezione verticale variabile, cosicché il calore fornito alla capsula realizza una soluzione di compromesso tra quello che sarebbe richiesto per restringere la capsula nelle zone della bottiglia di sezione inferiore e quello richiesto per restringere la capsula nelle zone di sezione maggiore: ne consegue che, di norma, vi sono zone della capsula sovra-riscaldate ed altre sotto-riscaldate rispetto alle reali esigenze.

Pertanto, lo scopo principale del presente trovato è quello di realizzare una testa termica per il restringimento di corpi assialsimmetrici cavi in materiale termoretraibile preformato su contenitori quali bottiglie, flaconi, fusti, o su oggetti in genere, che abbia una maggiore efficienza ed un ridotto consumo energetico rispetto alle teste termiche note, e che al contempo consenta di controllare in il calore fornito alla capsula anche in relazione a possibili diversi formati della bottiglia, in modo da incrementare significativamente la qualità della lavorazione.

Il suddetto scopo ed altri vantaggi, quali risulteranno chiaramente dal seguito della descrizione, sono raggiunti da una testa termica avente le caratteristiche esposte nella rivendicazione 1, mentre le rivendicazioni dipendenti definiscono altre caratteristiche vantaggiose del trovato, ancorché secondarie.

Si descriverà ora in maggior dettaglio il trovato, con riferimento ad alcune sue realizzazioni preferite ma non esclusive, illustrate a titolo d'esempio non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la Fig. 1 è un diagramma che illustra la distribuzione del calore fornito a una capsula per irraggiamento da un elemento radiante cilindrico riscaldato uniformemente, che viene calato sulla capsula secondo una legge di moto convenzionale di una testa termica secondo l'arte nota;

la Fig. 2 è una vista schematica in sezione assiale di una generica bottiglia su cui è calzata una capsula sigillante in materiale termoretraibile in configurazione lasca;

la Fig. 3 è una vista simile alla Fig. 2, illustrante la capsula dopo un'operazione di termoretrazione;

la Fig. 4 è una vista prospettica in sezione assiale di una testa termica secondo il trovato; la Fig. 5 è un diagramma che illustra la distribuzione della temperatura su un corpo radiante della testa termica secondo il trovato; la Fig. 6 è un diagramma che illustra la distribuzione della temperatura su un corpo radiante teorico simulante il corpo radiante della testa termica secondo il trovato;

la Fig. 7 è un diagramma che simula la distribuzione del calore fornito a una capsula per irraggiamento dal corpo radiante della Fig. 6, quando esso viene calato sulla capsula secondo una legge di moto convenzionale di una testa termica; la Fig. 8 è una vista simile alla Fig. 4, illustrante la testa termica in una prima realizzazione alternativa del trovato;

la Fig. 9 è una vista schematica in sezione assiale di un componente della testa termica in una seconda realizzazione alternativa del trovato, in associazione ad una generica bottiglia su cui è calzata una capsula sigillante in materiale termoretraibile in configurazione lasca;

la Fig. 10 è una vista simile alla Fig. 9, illustrante una terza realizzazione alternativa del trovato.

Con riferimento iniziale alle Figg. 2 e 3, il presente trovato si riferisce alla fase di applicazione di una capsula sigillante C in materiale termoretraibile al collo N di una generica bottiglia B, tipicamente una bottiglia di vetro già riempita e tappata.

La capsula C è convenzionalmente costituita da un film di materiale plastico termoretraibile che è avvolto a formare un tronco di cono, con una estremità superiore chiusa da un sottile disco in alluminio L.

Inizialmente, la capsula C viene calzata sul collo N in configurazione lasca, come illustrato in Fig. 2, dopodiché essa viene fatta aderire alla parete della bottiglia mediante riscaldamento, come illustrato in Fig. 3, ad opera di una testa termica, la quale è oggetto del presente trovato.

Con riferimento alle figure sopra elencate, la testa termica 10 comprende, in modo di per sé noto, mezzi radianti sviluppantisi attorno a un asse A e definenti internamente un passaggio P per il collo N della bottiglia B, sul quale è stata preliminarmente calzata la capsula sigillante C in configurazione lasca.

La testa termica 10 è atta ad essere calata sulla bottiglia B, p.es., su comando di una camma (non illustrata), in modo da circondare progressivamente tutta la capsula C e trasmetterle calore per irraggiamento.

Secondo il trovato, i mezzi radianti sono configurati per generare, in corrispondenza dell'asse A, livelli di calore differenziati lungo l'asse stesso, così da compensare sostanzialmente le variazioni di sezione della bottiglia B ed i diversi tempi di esposizione all'irraggiamento dei vari livelli della capsula C dovuti al movimento verticale della testa termica 10.

La Fig. 4 illustra una prima realizzazione del trovato, dove si è supposto che la capsula C e la porzione della bottiglia B impegnata dalla capsula, tipicamente il collo N, abbiano un profilo cilindrico.

In questa realizzazione, i mezzi radianti comprendono una resistenza 12 ad elica cilindrica con passo variabile, alimentata con una tensione costante.

In particolare, poiché la parte inferiore della capsula C rimane esposta all'irraggiamento per un tempo minore, in considerazione del moto verticale di discesa e di risalita della testa termica 10, la resistenza 12 presenta un passo che è più corto in prossimità della sua estremità inferiore 12a, così da generare un calore maggiore, e cresce progressivamente verso l'estremità superiore dove è richiesto meno calore per il restringimento della capsula.

Vantaggiosamente, la resistenza 12 è avvolta su un corpo radiante cavo sviluppantesi attorno al medesimo asse A, il quale ha lo scopo di sostenere la resistenza e di aumentare la superficie radiante, in modo da aumentare a sua volta la quantità di energia irraggiata sulla capsula. La resistenza 12 è posta a contatto con il corpo radiante cavo, che in questa realizzazione è costituito da un cilindro 14 a parete sottile in materiale termo-conduttivo, p.es., acciaio inossidabile, in modo da trasferirgli il calore per conduzione. A tal proposito, il materiale del cilindro 14 deve essere scelto in modo tale che la sua conduttività termica non sia troppo elevata, onde evitare il rischio che la temperatura si riequilibri lungo l'asse.

Si noti che la resistenza 12 presenta un passo più corto anche all'estremità superiore, poiché in quel punto il cilindro 14 ha uno spessore maggiore.

Il cilindro 14 è supportato e circondato da un involucro isolante 16, munito di una parete cilindrica interna 16a e di una parete cilindrica esterna 16b tra i quali è definita un'intercapedine cilindrica D. L'estremità superiore del cilindro cavo 14 è collegata all'estremità superiore della parete cilindrica interna 16a tramite una flangia discoidale 18, a mezzo di viti con dado H e distanziali S. L'estremità superiore della parete cilindrica esterna 16b è chiusa da un coperchio 20, al quale è fissata una staffa 22.

In modo di per sé convenzionale, la testa termica 10 è atta ad essere collegata all'albero porta testa di una generica giostra di lavorazione (non illustrati) tramite la staffa 22.

La testa termica 10 è inoltre munita di un tampone premi-capsula 24 astiforme, che comprende un tubo interno 24a ed un tubo esterno 24b inseriti coassialmente l'uno nell'altro e definenti tra essi un passaggio cilindrico G. Il tubo interno 24a ed il tubo esterno 24b sono interconnessi alla loro estremità inferiore da un terminale sagomato 26, atto ad andare in battuta contro l'estremità superiore della capsula C, durante il ciclo di irraggiamento, per mantenerla ferma in posizione. Il tubo interno 24a è alimentato da un circuito d'aria pressurizzata (non illustrato) al fine di raffreddare il terminale sagomato 26 per convezione. Dopo aver lambito una superficie di scabio 27 del terminale sagomato 26, l’aria viene scaricata attraverso il passaggio cilindrico G.

Il tampone premi-capsula 24 è inserito scorrevolmente in una boccola 28 che è fissata coassialmente al coperchio 20. L'estremità superiore del tampone premi-capsula 24 porta calzato, in posizione fissa, un arresto cilindrico 29, il quale delimita la corsa verso il basso del tampone premi-capsula 24 andando in battuta contro l'estremità superiore della boccola 28.

Nel funzionamento, la testa termica 10 viene calata sulla bottiglia B, sulla quale è stata preventivamente calzata la capsula C in configurazione lasca, in modo di per sé convenzionale. Durante la discesa, il tampone premi-capsula 24 entra in contatto con la capsula C e la tiene ferma premendola contro il tappo della bottiglia. In questa fase viene alimentata aria pressurizzata nel tampone premi-capsula 24, al fine di raffreddare il terminale sagomato 26 per convezione ed evitare danneggiamenti alla parte superiore della capsula. Proseguendo la discesa, la resistenza 12 circonda progressivamente tutta la capsula C e le trasmette calore per irraggiamento, cosicché la capsula C inizia a retrarsi. Dopo una successiva fase di mantenimento, in cui capsula C continua a ricevere calore e a retrarsi, la testa termica 10 viene fatta risalire sempre su comando della camma.

Alimentando la resistenza 12 con una tensione costante, il cilindro cavo 14 si riscalda e, a regime, raggiunge una distribuzione di temperatura lungo la sua dimensione longitudinale come illustrata in Figura 5.

Sì è costatato che nel caso in esame, in cui la bottiglia B ha una sezione costante nel tratto rivestito dalla capsula C, tale distribuzione della temperatura del cilindro cavo 14 è sostanzialmente in grado di compensare i diversi tempi di esposizione all'irraggiamento dei vari livelli della capsula C, i quali sono determinati dal movimento verticale della testa termica 10. Ciò consente di ottenere una distribuzione di calore pressoché uniforme per tutta la lunghezza della capsula C e, di conseguenza, una termoretrazione uniforme, come desiderato.

A conferma di quanto sopra, la distribuzione di temperatura sul cilindro 14, in linea teorica, può essere definita analiticamente dalla seguente equazione

dove T(x) è la temperatura alla quota x del cilindro 14, Tmed è la temperatura media sul cilindro 14, DT è differenza di temperatura tra le estremità opposte del cilindro 14, ed a è un coefficiente che può essere impostato empiricamente in funzione dei parametri in gioco. Le curve nel grafico di Fig. 6 rappresentano la distribuzione di temperatura lungo la dimensione longitudinale del cilindro cavo 14 derivante dalla suddetta formula, con con Tmed = 400 °, DT = 100 °C, e diversi valori di a.

Le curve nel grafico di Fig. 7 rappresentano la distribuzione del calore fornito alla capsula C da un cilindro 14 avente una distribuzione di temperatura come illustrata nel grafico di Fig. 6.

Si può notare che la distribuzione di temperatura reale sul cilindro cavo 14, illustrata in Fig. 5, è molto simile a quella teorica illustrata in Fig. 6, con a pari a 0.5, la quale consente di ottenere una distribuzione di calore pressoché costante lungo l'intera dimensione longitudinale della capsula C, come illustrato in Fig. 7.

Nel caso in cui il collo N della bottiglia B non fosse cilindrico ma avesse, p.es., una forma troncoconica come illustrato nelle Figg. 2, 3, la distribuzione di temperatura del cilindro cavo 14 può essere variata in modo da tener conto anche di questo parametro, variando il passo tra le spire della resistenza 12. In linea generale, maggiore è la sezione della bottiglia, maggiore dovrà essere il passo tra le spire in corrispondenza di tale sezione, in modo da ridurre la quantità di calore fornito.

Sì è dimostrato in pratica che la testa riscaldante secondo il trovato consegue pienamente gli scopi prefissati.

In particolare, poiché la capsula viene riscaldata esclusivamente per irraggiamento, il consumo energetico risulta notevolmente ridotto mentre l'efficienza è molto più elevata rispetto ai sistemi attuali.

Al contempo, il riscaldamento differenziato lungo la dimensione longitudinale della capsula consente di compensare fattori di disuniformità quali il movimento della testa termica, la forma della capsula, la forma del contenitore, ecc., con notevole incremento della qualità di lavorazione.

La Fig. 8 illustra una realizzazione alternativa del trovato, che differisce dalla precedente unicamente per il fatto che i mezzi radianti della testa termica 110 comprendono una coppia di resistenze 112a, 112b calzate ai rispettivi capi opposti del cilindro cavo 114. Le resistenze 112a, 112b sono alimentate in tensione in modo indipendente e controllato, p.es., mediante un termoregolatore ed una termocoppia, in modo da poter variare in modo altamente flessibile la distribuzione di temperatura sul cilindro cavo 114 in base ai diversi parametri in gioco (legge di moto della testa termica, forma della capsula, forma del contenitore, ecc.). Preferibilmente, per una flessibilità ancora maggiore nel controllo della distribuzione della temperatura sul cilindro 114, la posizione verticale delle resistenze 112a, 112b può essere regolata.

La Fig. 9 illustra un'ulteriore realizzazione del trovato, che differisce dalla precedente per il fatto che i mezzi radianti comprendono una resistenza 212 avente profilo tronco-conico rastremato verso il basso e passo costante. Benché non illustrato, la resistenza 212 potrebbe essere calzata su un corpo radiante cavo in materiale termoconduttivo, come nelle realizzazioni precedenti, che in questo caso potrebbe avere una forma troncoconica.

In questa realizzazione, i diversi livelli di calore in corrispondenza dell'asse della capsula sono determinati dal profilo tronco-conico dei mezzi radianti. In virtù di tale profilo, la distanza tra la resistenza e la parete della capsula (che si suppone sempre avere forma sostanzialmente cilindrica o leggermente svasata verso l'alto) varia lungo l'asse verticale e, con essa, varia anche l'intensità del calore fornito.

La Fig. 10 illustra un'ulteriore realizzazione alternativa del trovato, che differisce dalla precedente per il solo fatto che la resistenza tronco-conica 312 ha un passo variabile. In questo caso, pertanto, i diversi livelli di riscaldamento lungo l'asse della capsula sono determinati sia dalla forma tronco-conica sia dal passo variabile della resistenza 312.

Si sono qui descritte alcune realizzazioni preferite del trovato, ma naturalmente il tecnico del ramo potrà apportare diverse modifiche e varianti nell'ambito delle rivendicazioni.

Per esempio, benché in alcune delle realizzazioni descritte le resistenze siano vantaggiosamente avvolte attorno ad un corpo radiante cavo per una distribuzione della temperatura più regolare, a seconda delle circostanze tale elemento potrebbe essere rimosso e la resistenza potrebbe irradiare direttamente alla capsula.

Inoltre, il trovato potrebbe essere realizzato mediante diverse combinazioni delle realizzazioni descritte. Per esempio, i mezzi irradianti potrebbero comprendere due o più resistenze cilindriche e/o troncoconiche aventi passo fisso o variabile.

La forma stessa della/e resistenza/e e dell'eventuale corpo radiante cavo associato può essere variata ampiamente a seconda delle esigenze (p.es., essi potrebbero presentare una forma tronca a campana o a cupola), purché nel loro complesso i mezzi radianti siano configurati in modo da generare, in corrispondenza dell'asse A, livelli di calore differenziati lungo l'asse stesso.

Lo stesso circuito di raffreddamento ad aria realizzato all'interno del tampone premi-capsula 26 costituisce un elemento utile ma non indispensabile al conseguimento del trovato.

Ancora, il filamento che forma la resistenza potrà avere un profilo in sezione diverso da quelli illustrati nelle Figure, p.es., un profilo rettangolare.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Testa termica per il restringimento di un corpo cavo (C) in materiale termoretraibile preformato calzato in configurazione lasca su un contenitore (B) o oggetto in genere, comprendente mezzi di supporto (16, 18, 20, 22) e mezzi radianti (12, 14) collegati a detti mezzi di supporto (16, 18, 20, 22) e comprendenti almeno una resistenza avvolta ad elica (12) attorno a un asse (A) a definire internamente un passaggio (P) in cui è ricevibile detto corpo cavo (C), caratterizzata dal fatto che detta almeno una resistenza (12) è configurata per generare, in corrispondenza di detto asse (A), livelli di calore differenziati lungo l'asse stesso.
2. 2. Testa termica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta resistenza (12, 312) ha un passo variabile.
3. 3. Testa termica secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta resistenza (12, 312) presenta un passo più corto in prossimità della sua estremità inferiore (12a) ed un passo più lungo sostanzialmente nella parte restante della sua lunghezza.
4. 4. Testa termica secondo una delle rivendicazioni 2 o 3, caratterizzata dal fatto che detta resistenza (12) è sagomata in modo tale da presentare un profilo cilindrico.
5. 5. Testa termica secondo una delle rivendicazioni 1-3, caratterizzata dal fatto che detta resistenza (212, 312) è sagomata in modo tale da presentare un profilo troncoconico rastremato verso il basso.
6. 6. Testa termica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi radianti comprendono un corpo radiante cavo (14, 114) in materiale termo-conduttivo, attorno al quale è avvolta detta resistenza (12, 112).
7. 7. Testa termica secondo una delle rivendicazioni 1-6, caratterizzata dal fatto che detti mezzi radianti comprendono una coppia di dette resistenze (112a, 112b) alimentate in tensione in modo indipendente e controllato.
8. 8. Testa termica secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che dette resistenze (112a, 112b) sono controllate in temperatura mediante un termoregolatore con termocoppia.
9. 9. Testa termica secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzata dal fatto che dette resistenze (112a, 112b) sono collegate ai mezzi di supporto in posizione regolabile assialmente.
10. 10. Testa termica secondo una delle rivendicazioni 1-9, caratterizzata dal fatto che detto corpo cavo consiste in una capsula sigillante (C) di forma sostanzialmente cilindrica.
11. 11. Testa termica secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto di comprendere un tampone premi-capsula (24) atto ad andare in battuta contro un'estremità superiore di detta capsula sigillante (C) con un suo terminale sagomato (26) collegato ad un circuito di raffreddamento a fluido (24a, 24b, 27, G).